節(jié)能技術(shù)在挖掘機液壓系統(tǒng)上的應(yīng)用分析解讀

1、 節(jié)能技術(shù)在挖掘機液壓系統(tǒng)上的應(yīng)用分析Energy savings technology on excavator hydraulic system王玉林1，黃鳴輝1，張軍2WANG Yu-lin, HUANG Ming-hui, ZHANG Jun（1. 常林股份有限公司，江蘇 常州 213002；2.長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710054）液壓挖掘機屬于高能耗的工程機械，大部分功率損失于液壓元件的節(jié)流和溢流調(diào)節(jié)，因此節(jié)能研究成為挖掘機研究的熱點。電子節(jié)能及控制技術(shù)成為液壓挖掘機技術(shù)發(fā)展的主要方向，一方面圍繞挖掘機各重要環(huán)節(jié)，采用混合動力、電噴發(fā)動機、正流量控制

2、、負流量控制等技術(shù)提高動力源、傳動系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)三個環(huán)節(jié)的效率；另一方面圍繞液壓挖掘機整機的性能匹配進行展開，根據(jù)工作裝置和用途的不同采用分工況、分功率控制的方法，提高整機的動力性、經(jīng)濟性和操作性。挖掘機主要由發(fā)動機、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和工作裝置構(gòu)成，其中工作裝置的國產(chǎn)化已基本完成，而發(fā)動機和液壓系統(tǒng)均采用進口產(chǎn)品，因此各主機廠的節(jié)能研究主要是采用相關(guān)技術(shù)提高發(fā)動機以及發(fā)動機與液壓系統(tǒng)匹配的利用率。目前市場上主流的中型挖掘機仍然以機械調(diào)速發(fā)動機和負流量的液壓系統(tǒng)為主，探討在此基礎(chǔ)上的節(jié)能研究具有較大的現(xiàn)實意義。本文以福馬公司近年新開發(fā)的21t挖掘機ZG3210-9C為對象分析其節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用。

3、該機采用康明斯6BTAA5.9-C150發(fā)動機和川崎公司KMX型多路閥和K3V液壓泵組成的液壓系統(tǒng)，通過降低發(fā)動機能耗、改進控制系統(tǒng)性能、改善發(fā)動機與液壓系統(tǒng)的功率匹配等方法，積極開展節(jié)能減排的研究，經(jīng)整機試驗發(fā)現(xiàn)比普通機型節(jié)省燃油消耗15左右，取得了良好的效果。1控制系統(tǒng)功能改進1.1設(shè)定經(jīng)濟擋位，充分利用發(fā)動機低油耗區(qū)發(fā)動機工作在高轉(zhuǎn)速時，由于曲軸高速旋轉(zhuǎn)，活塞與氣缸的磨損加劇，將有更多的能量消耗在摩擦上，導(dǎo)致能量利用率較低。而低速大扭矩情況下，由于轉(zhuǎn)速低、負荷大，進氣系統(tǒng)、渦輪增壓器等性能在不同程度上都會下降，導(dǎo)致進氣沖量系數(shù)低，燃燒惡化，燃油利用率極低。發(fā)動機在中間轉(zhuǎn)速時，油耗值最低。

4、各參數(shù)變化的詳細情況可參見發(fā)動機萬有特性曲線。挖掘機在使用過程中，由于工況不同，負載變化較大，對發(fā)動機所需提供的轉(zhuǎn)速和扭矩瞬態(tài)變化較大。為響應(yīng)不同工況的作業(yè)要求，電控系統(tǒng)設(shè)定重載（H）、正常（S）、輕載（L）、破碎（B）四種模式，發(fā)動機油門旋鈕設(shè)定十擋電流。根據(jù)泵的功率曲線分別計算出在不同的轉(zhuǎn)速下，泵所需吸收的最大扭矩，在發(fā)動機萬有特性曲線上標注出H、S、L三種模式下扭矩區(qū)間，我們可以發(fā)現(xiàn)：在H模式下，轉(zhuǎn)速設(shè)定區(qū)間為17501950rpm，發(fā)動機油耗曲線為最建筑機械化2011(05 31 低油耗的105%；在S模式下，轉(zhuǎn)速設(shè)定區(qū)間為15501750rpm，發(fā)動機油耗曲線為最低油耗的101%10

5、2%；L模式下，在轉(zhuǎn)速13501550rpm 區(qū)間內(nèi)，發(fā)動機油耗曲線為最低油耗的102%105%。在S和L模式下，整機運行在發(fā)動機萬有特性曲線的最低油耗區(qū)域，使系統(tǒng)不僅能獲得較高的工作效率，而且能降低燃油的消耗和發(fā)動機噪聲。根據(jù)作業(yè)的要求，由駕駛員先選定工作模式，并設(shè)定擋位電流，系統(tǒng)將自動調(diào)節(jié)柴油機油門開度。通過柴油機液壓泵的聯(lián)合調(diào)節(jié)，使液壓泵的吸入功率等于柴油機的輸出功率，同時可以使柴油機工作在最佳工作點。1.2根據(jù)作業(yè)工況，優(yōu)化發(fā)動機控制當(dāng)挖掘機由于等待運輸車輛等原因而短暫停止操作時，控制柴油機油門開度，使其處于自動怠速狀態(tài)1350rpm。重新操縱挖掘機作業(yè)時，柴油機轉(zhuǎn)速自動恢復(fù)到正常工作

6、時的轉(zhuǎn)速狀態(tài)。采用自動怠速替代柴油機的高怠速工況，不僅降低了空載時的能量消耗，同時也降低了噪聲，有利于柴油機壽命的延長。當(dāng)負載超過限值時，控制系統(tǒng)進入瞬時增力模式。通過駕駛室內(nèi)側(cè)先導(dǎo)手柄上的增力按鈕，在挖掘作業(yè)過程中，按一下瞬時增力按鈕，則瞬時增力電磁閥接通9s。連續(xù)按下超過9s時，瞬時增力電磁閥要斷開9s，然后再接通（即連續(xù)增力默認為9s，超過9s要斷開，9s后才能繼續(xù)增力）。此時系統(tǒng)壓力將由330bar升至350bar，挖掘力可增加6%。在動臂下降回路增加壓力檢測，由于重力作用原因，對工作壓力和流量要求不高，系統(tǒng)功率需求較?。煌ㄟ^電控系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)油門開度，由于載荷較輕，發(fā)動機轉(zhuǎn)速提高，泵排

7、量增加，在不影響工作效率的情況下，降低了發(fā)動機能量消耗。1.3優(yōu)化加載特性，提高響應(yīng)速度充分利用發(fā)動機的調(diào)速率，康明斯發(fā)動機調(diào)速率為12%。調(diào)速率越小，發(fā)動機突加載時的瞬態(tài)供應(yīng)量越大，總油耗也就越高?？刂葡到y(tǒng)通過監(jiān)測發(fā)動機的實際轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)泵的電磁比例閥電流，改變泵的排量，從而使泵的吸收功率與發(fā)動機的輸出功率相同，使發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定值附近，減小油耗。選用高靈敏度的油門執(zhí)行機構(gòu)，調(diào)高控制器采集轉(zhuǎn)速的處理速度，提高泵排量改變的響應(yīng)速度，提高整機的工作效率，降低油耗。1.4自研控制系統(tǒng)，擴展系統(tǒng)功能在發(fā)動機和液壓系統(tǒng)不能改變的前提下，為進一步達到節(jié)能研究，公司采用德國Hersmor G16控制器，

8、上海派恩科技真彩SPN 5300顯示器，南京吉美思的GMS101-4DGPS模塊構(gòu)建了一套挖掘機控制系統(tǒng)，以轉(zhuǎn)速感應(yīng)的PID調(diào)節(jié)的恒功率控制方法，保證作業(yè)狀態(tài)下發(fā)動機功率的充分利用；同時采用基于泵出口壓力反饋的控制方式，當(dāng)泵壓力超過設(shè)定上限2s時間，關(guān)閉泵排量，降低溢流造成的損失。2液壓系統(tǒng)的優(yōu)化2.1能量再生和回收利用在挖掘機作業(yè)過程中，位能和動能的損失較大。工作裝置回路和回轉(zhuǎn)系統(tǒng)都可考慮能量再生利用。目前，大多數(shù)挖掘機上動臂或斗桿都采用了再生回路，提高了工作裝置的作業(yè)速度，改善了復(fù)合操縱性能，使液壓系統(tǒng)的能耗降低，效率提高。選用川崎公司的KMX15RA多路閥，該閥的斗桿控制回路中，有桿腔的

9、液壓油通過一個內(nèi)置的單向閥進入無桿腔，從而實現(xiàn)回油再利用，如圖1所示。Q Q maxmax 圖1壓力切斷閥的節(jié)能效果2.2降低液壓系統(tǒng)沿程損失液壓油通過管道和接頭等的沿程損失, 這種2011(05 損失是不可避免的。液壓系統(tǒng)的沿程壓力損失所造成的功率損失也是不可小視的。在泵出口處測得的空流壓力（大約有23MPa）中有很大一部分是沿程壓力損失。調(diào)整液壓系統(tǒng)膠管走向，將回轉(zhuǎn)馬達泄油、行走馬達泄油、主閥泄油口由原來的隨系統(tǒng)回油經(jīng)回油濾清器回油箱，現(xiàn)調(diào)整為直接回油箱，降低泄油口背壓；增大主泵出口處膠管通徑，調(diào)整高壓膠管、回油管路中低壓膠管材料等；通過一系列改進，改善了液壓系統(tǒng)沿程損失，降低油耗，降低液

10、壓系統(tǒng)熱平衡溫度。2.3增加系統(tǒng)壓力切斷功能壓力切斷是為了消除系統(tǒng)過載時的溢流損失而代替溢流閥的一種壓力調(diào)節(jié)控制，在液壓泵高壓出口下游設(shè)置了壓力切斷閥，如果液壓泵的出口壓力超過壓力切斷閥設(shè)定壓力（公司配套主泵壓力設(shè)定值為350bar），壓力切斷閥輸出一個與壓力增加成比例的控制信號給液壓泵，將液壓泵流量降到接近零流量，而輸出仍保持在系統(tǒng)壓力附近。當(dāng)液壓泵進入壓力切斷控制時，雖然系統(tǒng)壓力很高，但由于此時液壓泵的輸出流量接近零，功率損耗很小。見圖2。的設(shè)計和布置，降低風(fēng)道的壓力損失，避免熱風(fēng)回流，提高系統(tǒng)散熱能力，控制液壓系統(tǒng)油溫在80左右，從而提高液壓元件效率，延長使用壽命；選用低功耗的風(fēng)扇，降低

11、發(fā)動機功率損耗。3.2液壓泵和發(fā)動機的功率匹配轉(zhuǎn)速波動是導(dǎo)致發(fā)動機燃油利用率下降的主要原因之一，因此作業(yè)時降低轉(zhuǎn)速波動可有效提高發(fā)動機的燃油利用率。一方面控制系統(tǒng)采用分工況的功率控制方式，設(shè)置3種功率模式和10擋油門，以滿足不同的作業(yè)工況，提供系統(tǒng)利用率；另一方面增加輔助的控制功能，如自動怠速，自動減速和機械怠速等功能，進一步降低能耗。（編輯吳學(xué)松）中圖分類號 TH621文獻標識碼 B文章編號 1001-1366(201105-0031-03收稿日期 2011-03-293整機性能優(yōu)化3.1發(fā)動機布局的改進選用優(yōu)質(zhì)進口散熱器產(chǎn)品，優(yōu)化冷卻系統(tǒng)建筑機械化2011(05 33 21 When EU

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14、ON/AGG 2011, one of the best attraction was "environmental protection and energy saving", European and American main construction machinery enterprises introduced series of products with a Tier 4 emissions solution, almost all of the engine manufacturers brought their overall upgrade produ

15、cts with Tier 4 emissions solution, construction machinery industry tend to cleaner, more environmentally friendly and more ef cient, driving the whole products upgrading.31 Energy saving technology on excavator hydraulic systemEnergy saving technology on excavator is advantage to product competitiv

16、eness, energy conservation and emission reduction. Analysis of the hot energy saving research on excavator in domestic and international and the main reason for the power loss. Combining application experience, put forward some energy saving technologies application to excavator.52 TBM technology ap

17、plied to the rst phase of Chongqing metro line 6The rst phase of Chongqing metro line 6 is the rst urban subway project applied the TBM technology. According to the construction of the first phase of Chongqing metro line 6, this paper analyzed the TBM construction adaptability, introduced in detail

18、the TBM equipment selection and key construction technology60 The application of intelligent compaction system on the subgrade construction ofLanzhou-Xinjiang second lineAt the present stage, subgrade construction account for a large proportion of passenger train and bullet train construction. To ensure the quality of subgrade, strengthen the process control, continuous compaction test control technology (intelligent compacti